陶瓷刀具干铣削超高强度钢的试验研究

HEATS

1 引言

难加工材料切削技术的研究在理论和实践上都具有重要意义。本项目的研究对象为某牌号超高强度钢，该钢种材料Ni、Cr、Mo元素含量较高，具有高硬度(>45HRC)、高强度(抗弯强度1174MPa)和良好的韧性，因其优异的物理、力学性能而在国防工业上有着重要应用。该钢种的总体加工性能等级为8级，属于典型的难加工材料，目前主要使用硬质合金刀具进行切削加工，但刀具磨损、破损严重，加工效率低，加工成本高，严重制约了生产的顺利进行。本研究分别采用Al₂O₃基、Al₂O₃-Ti(NC)基和Si₃N₄-Al₂O₃基三种陶瓷刀具对该牌号超高强度钢进行了干铣削加工试验，通过研究其切削性能，探讨适合加工该材料的有效刀具及工艺方法。 , N( o9 E2 u3 m' J7 ^: J

2 试验条件与方法

4 ~+ N; n5 v6 z

1. 试验条件 8 n8 b7 i6 ^+ v( y1 r& |' x) v
   试件材料：某牌号超高强度钢，试件尺寸160mm×60mm ×60mm。
   试验刀具：YT15硬质合金刀片， Al₂O₃基、Al₂O₃-Ti（NC)基和Si₃N₄-Al₂O₃基陶瓷刀具。三种陶瓷刀具的成分及性能见表1。 ! R2 e& g7 {) m. e% F7 ^/ F* o9 ?% L0 P5 }

   表1 陶瓷刀具牌号及性能

   试验刀具	成分	系列	硬度 (HRA) 3 k5 O& ^0 v% h: g5 C& [' F	抗弯强度 (MPa)
   陶瓷刀具1 ' Z& b! q6 b7 ~3 U! k	Si3N4+Al2O3+TiC	Si3N4-Al2O3基 ( ~$ n$ F) K$ Q$ i$ \	94	850 - Y c. q2 R5 g! C! C5 W/ B$ s) ^
   陶瓷刀具2	Al2O3+Ti(NC)	Al2O3-Ti(NC)基	94.5	850 9 E( a% F% c9 r* ^
   陶瓷刀具 3 / o/ ~6 ?. P+ q. g: V/ M6 t	Al2O3+TiC ) _' N% ^( Z* h3 q	Al2O3基	93.5	880～030

   刀具几何参数：g₀=0°，a₀=0°，b_r1×g₀₁=1mm×15°，r_e=2.5mm。 - I2 n7 v: H0 f' A0 e
   切削方式：单齿端面对称干铣削。
   铣刀盘：d=125mm，g_p=-9°，g_r=-3°。 1 G) w7 c% \0 {4 x% K" ^
   机床：XS5040型立式升降台铣床。 5 g$ t6 y w, q7 W& W5 m
   测量装置：小型工具显微镜，Kistler三向压电晶体测力仪，表面粗糙度测量仪。
2. 刀具耐用度试验方法
   在进给量f=0.1mm/r，切削深度a_p=1mm，切削速度分别为V=123、157m/min的切削条件下，分别对三种陶瓷刀具进行刀具耐用度试验，绘出刀具磨损曲线，并建立T-V经验公式。
   / j& R1 ?* u) {
3. 铣削力试验方法
   在进给量f=0.1mm/r，切削深度a_p=1mm，切削速度分别为V=123、157、196、247m/min的切削条件下，分别对YT15硬质合金刀具和陶瓷刀具1进行切削力试验，绘出主切削力曲线，并建立F_z-V 经验公式。
4. 加工表面粗糙度试验方法
   在切削速度V=123、157m/min的条件下，分别用三种陶瓷刀具进行切削试验，并测量、记录已加工工件的表面粗糙度值。

6 ~; l& v& G& x, B0 F u

3 试验结果与分析

5 C: o6 o; h w- I

1. 切削条件对刀具耐用度的影响本试验中，在相同切削用量(V=123、157m/min，a_p=1mm，f=0.1mm/r)下得到的三种陶瓷刀具的后刀面磨损曲线如图1所示。
   7 X# _* r$ S/ j9 U2 B3 O( V9 l* V6 B8 M/ z* U( ~

   (a)V=123 m/min ' R- T6 E3 B- k2 p4 d+ ?- D	(b)V=157 m/min ! ~, j [ h- ?" E% Z- i
   图1 三种陶瓷刀具的后刀面磨损曲线

   0 l7 |4 P$ D, _1 j* R2 Q, H( u. u
   由图可见，陶瓷刀具- 在正常磨损阶段的磨损较剧烈，在很短时间内就达到了刀具磨钝标准；陶瓷刀具1、3的耐磨性较好，在刀具正常磨损阶段的磨损较缓慢、均匀，与目前生产中普遍采用的YT15硬质合金刀具相比，刀具耐用度有较大幅度提高。 . T( v, Y u" E3 q" r) r) r
   陶瓷刀具2在两种切削速度条件下磨损均较严重的原因是切削温度较高，工件材料中的Ni向刀具中心扩散，使刀具表面硬度下降，刀具材料与工件材料亲和性增大，粘结磨损随之增大，导致刀具耐用度降低。陶瓷刀具3的耐用度在V=157 m/min时较V=123 m/min时明显下降，这是因为V=123 m/min时刀具的主要磨损机制为磨料磨损和粘结磨损，刀具磨损较慢，因而耐用度较高；当V=157 m/min时，随着切削温度升高，扩散磨损在刀具磨损中所占比重上升，使刀具材料性能降低，刀具磨损加剧。陶瓷刀具1的耐用度最高(36min)，这是因为刀具材料中的Si₃N₄和TiC在切削过程中被氧化，在摩擦表面生成的含Si、Ti 氧化物起到了固体润滑剂作用，可显著降低刀具后刀面与工件间的摩擦力，从而减轻了刀具的粘结磨损，提高了刀具耐磨性。 ! p, z* E' b7 [9 ]8 W% b
   对试验数据进行线性回归分析，可得出三种陶瓷刀具在f=0.1mm/r、a_p=1mm 切削用量下铣削超高强度钢的T-V经验公式分别为 陶瓷刀具1：T=8.492×10³×V^-1.048r=-0.885
   陶瓷刀具2：T=2.919×10²×V^-0.710r=-0.842
   陶瓷刀具3：T=8.578×10⁷×V^-3.065r=-0.927式中，T为耐用度，r为相关系数，表示T与V之间相关关系的密切程度。上述经验公式反映了三种陶瓷刀具的耐用度与切削速度之间的关系，为后续试验中切削速度的选择提供了重要依据。
   ( ^ C/ W* R: O+ }
2. 切削条件对切削力的影响 ( i5 Q3 z4 e! T$ d3 t
   本试验中，在相同切削用量(V=123、157、196、247m/min，f=1.1mm/r，a_p=1mm)下得到的YT15硬质合金刀具和陶瓷刀具1的主切削力曲线如图2所示。 , c0 Q' l0 \. l! q7 r& }! q, w7 v$ T a) y* \; J& M

   图2 YT15、陶瓷刀具1的主切削力曲线

   由图可知：①在试验切削速度范围( V=123~247m/min)内，YT15硬质合金刀具和陶瓷刀具1的主切削力F_z随切削速度的提高而缓慢减小，这表明当切削速度较低时，切削速度的提高可导致切削力下降；②与YT15硬质合金刀片相比，陶瓷刀具1的主切削力较小，这主要是由于陶瓷刀具干切削时具有自润滑功能，即陶瓷刀具中的 Si₃N₄、TiC 和Ti(NC)在高温下发生氧化，氧化物附着在切屑与前刀面之间，可减小前刀面的平均摩擦系数，从而减小了主切削力。
   对试验数据进行线性回归分析，可得出这两种刀具在f=0.1mm/r，a_p=1mm 切削用量下铣削超高强度钢的F_z-V经验公式分别为 8 G( n) [5 L; n% h1 ]陶瓷刀具1：F_z=418V^-0.102r=-0.707
   YT15刀具：F_z=379V^-0.075r=-0.740式中，F_z为主切削力，r为相关系数，表示F_z与V之间相关关系的密切程度。
   4 f( }+ G+ c" j0 ~2 E4 r
3. 切削条件对加工表面粗糙度的影响 ( m: _ s- D1 @ a8 S, f
   本试验中，在相同切削用量( V=123、157m/min，a_p=1mm，f=0.1mm/r)下获得的三种陶瓷刀具的加工表面粗糙度值见表2。 ) t$ y/ L0 X. Q- o. C, o4 B+ x9 U0 V2 b+ r/ m/ ?) a: i y' F. A1 F2 H3 d' Y* ?1 A+ ?# z4 d- G- s" _' O+ b: k% ?* n$ _8 Y* x( i7 Q3 A; ?9 a6 P8 n5 s# E. j2 u4 L3 C9 W+ d. \* `8 K$ O9 k

   表2 三种陶瓷刀具的加工表面粗糙度

   试验刀具	V (m/min)	Ra (µm)	等级
   陶瓷刀具1	123	0.480 / g" L- p; M7 V% K) N	8
   	157	0.770	7 1 J$ l" I! P' @* P8 `% l$ d q
   陶瓷刀具2	123	0.514 6 g* O: p# U6 k: V2 e	8
   	157	0.486	8
   陶瓷刀具3 9 T9 E" W. y# {$ I, Q# p1 n	123 $ D" ?% p! d# E9 @; N: Y( R	0.512	8 # l& N% z- c$ B, B1 [/ C5 ] m! n+ O
   	157	0.604	8

   4 b n8 u( |* h0 P2 Z
   由表2 可知，工件的加工表面粗糙度值均在R_a0.480～0.770µm之间，这表明用陶瓷刀具加工超高强度钢可获得较好的表面质量。这主要因为：①由于试验采用端铣方式，由主切削刃起切除作用，而过渡刃和副切削刃起到了修光作用；②工件材料硬度高、韧性好，加工中塑性变形较大，刀具与加工表面的挤压作用在一定程度上提高了加工表面质量；③陶瓷刀具材料的自润滑性能较好，刀具材料与工件之间的摩擦系数较小，铣削过程中刀具与工件的摩擦力较小，不易在前刀面形成滞留层和积屑瘤，因此可获得较好的加工表面质量。

: K: b, y0 ^7 F3 @; I8 [

4 结论

+ v& ~( X- j2 ^7 ~( \' w

* [# N+ g4 p. P5 w* Q B
1. 刀具耐用度试验表明：用陶瓷刀具加工超高强度钢可显著提高刀具耐用度，其中Si₃N₄-Al₂O₃基陶瓷刀具的切削性能最佳。 5 t( ]9 Z) E3 F7 i6 B
2. 切削力试验表明：采用陶瓷刀具加工超高强度钢时的主切削力较采用YT15硬质合金刀具时有所下降。
3. 用陶瓷刀具加工超高强度钢可获得较好的表面质量，加工表面粗糙度在R_a0.480～0.770µm之间。